液压过滤器的设计与制造

1、液压润滑油过滤器的设计与制造,大家好，能与各位同仁在一起共同探讨关于过滤器的一,些知识，我感到很荣幸,今天，我来谈谈“液压润滑油过滤器的设计与制造,这次座谈会，绝大多数专家都谈到在过滤器的设计中最主,要的问题就是过滤材料的选择。对这一点，我是非常赞同,的。但是，是不是有了好的材料就一定能够制造出品质优,良的过滤器呢？我看还差得很远,有了好的材料，只能说在过滤器的生产过程中走对了第,一步。而其结构设计的优劣和制造工艺的高低，对于过滤,器来说才是关键的第二步、第三步，只有这几步都走对了,才能发挥出过滤材料的最佳性能，从而获得高效的过滤器,今天，结合国外著名过滤器厂家的产品，重点讲讲油过,滤器在结构

2、设计和加工工艺中，如何使先进的过滤材料达,到最佳的使用性能,大家看下图，这是一个典型的液压过滤器,它基本上有以下零件构成,1,端盖,2,滤层,3,骨架,4,密封圈,第一讲,过滤器的端盖的设计,这是美国,PALL,公司,生产的,HC9020,HC9021,系列高压过滤,器,在同一种壳体里面可安装两种不同的滤芯,HC9020,左）和,HC9021,右,下面是这两种滤芯的剖面图,HC9020,HC9021,由上图可见，这两种滤芯连接尺寸完全相同，但结构却大,不一样,HC9020,滤芯的上下盖均采用=0.6mm的碳素钢板冲压,成型，而,HC9021,滤芯的上下盖却采用金属内芯加外包覆,0.5mm,钢板

3、而成,PALL,公司的设计师们为什么要这样设,计呢？让我们看一看这一系列过滤器的数据表,HC9020,滤芯的终止压差为,4bar,HC9021,滤芯的终止压差为,16bar,HC9020,滤芯的压溃压力为,20bar,HC9021,滤芯,的压溃压力为,210bar,由以上数据可以看出，之所以两,种外形尺寸完全一样的滤芯其结构有差异，完全是因为它,们的使用压力不一样所造成的,HC9020,滤芯在正常压力下工作，只需很薄的钢板就解,决问题了。而,HC9021,需要承受比,HC9020,大得多的压差,因此，就必须要用很厚的钢芯作支撑，并且为了保证滤芯,可以获得最大的过滤面积，又在钢芯外部包覆一层不承

4、受,压力的薄钢板,再来看另外一个例子,HYDAC,公司的,D,系列过滤器,属于高压过滤器，有两种型号,BH/3HC,和,BN/3HC,BH/3HC,滤芯的端盖全部采用铸钢锻压而成，其端盖厚度,至少在,2mm,因为它要承受,210bar,的压力,BN/3HC,滤,芯的端盖采用的钢板拉伸而成，厚度仅为,0.6mm,它承受,的压力仅为,25bar,滤芯端盖的设计原则,端盖,的设计一定要与滤芯的使用压力,相适应，在保持必要的结构强度,的原则下，尽量增大过滤面积,国际上油过滤器的结构强度,一般采用,这么几个等级,吸油过滤器,1,3bar,管路过滤器,中、低压,20bar,高压,210bar,大家再看上面

5、的图,HC9021,不知大家注意没有，滤芯两,头的端盖都向里收口，这是为什么？过去我们为一个厂家,加工一批高压滤芯，送过去后，替人家安装，用力一拔,结果把滤层拔了下来，端盖却留在里面，用螺丝刀撬，用,钳子拔，纹丝不动，害了别人停机一天，损失惨重。因为,高压过滤器要承受很高的压力，端盖骨架容易变形卡死,不易拆换。故两端端盖向里收紧，增加结合强度,滤芯的端盖有好多种，有机加的、冲压,的，有金属的、非金属的，有注塑成型的,有发泡成型的，只要我们坚守以上原则,就可以设计出既能保证性能，又节省材料,的新产品来,第二讲、滤层的设计与制造,1,波纹高度,波纹的高度按下面公式计算,hb=(d1-D2)/2,式

6、中,hb,波纹高度,mm,d1,波纹滤层外径,mm,D2,波纹滤层内径,mm,最佳波纹高度（过滤面积最大时的波纹高度称为最佳波纹高度,hb=d/4,对于直径小于,100mm,的滤层，其波纹高度可按上式来计算；对于直径大,于,100mm,的滤层，切不可盲从上面的公式，波纹高度以不超过,25mm,为准，波纹太高时受到压力会造成几个波纹并在一起，造成过滤器有,效过滤面积变小而很快失效,2,波纹数,波纹数按下面公式进行计算,n=*D2/(2(t+r)+l,式中,n,波纹数，个,t,滤层厚度,mm,r,波纹折叠半径,mm,l,波纹内间距,mm,不可清洗或高压可清洗滤芯的波纹数按下式记算,n=*D2/2(

7、t+r,低压可清洗滤芯的波纹数按下式记算,n=*D2,2(t+r)+0.25,以上公式为理想公式。实际操作上，很少按此公式计,算，因为滤材不一样，材料的弹性也不一样，计算出来的,数值往往与实际的不相符。这里，我们给出一般情况下的,滤层其内径波纹间距,单层金属网的滤层,1.5,2mm,双层金属网的滤层,1.8,2.5mm,带双层护网的不锈钢烧结毡滤层,2.8,3.5mm,单层滤纸的滤层,1.7,2.3mm,带双层护网的玻纤滤层,2.5,3mm,带双层护网并有护纸的玻纤滤层,2.7,3.5mm,波纹少了会影响过滤面积，但波纹多了会造成内径波,纹根部挤死，增大流通阻力，反而会影响过滤器的寿命,3,过

8、滤面积,过滤面积按下式计算,A=2n,hb,L,A,过滤面积,mm2,L,有效波纹长度,mm,4,过滤材料的选择,4.1,要确定过滤材料，首先要确定系统的目标清,洁度。美国太平洋科学公司,HIAC,分部曾对各种,类型液压装置的油液污染度进行了广泛的调查,汇总了美、英、德、法等,8,个国家,85,个公司的油,液污染度数据，在分析总结的基础上提出了各个,工业部门液压装置污染度等级参考指标,液压元件清洁度等级,种,类,一般齿轮泵,一般叶片泵,一般柱塞泵,导弹液压泵,民用飞机液压泵,机床液压泵,导弹液压阀,试验台液压阀,民用飞机液压阀,机床液压阀,机动重型设备,ISO4406,16/13,16/13,

9、17/14,13/10,15/12,16/13,13/10,13/10,14/11,15/12,17/14,NAS1638,7,7,8,4,6,7,4,4,5,6,8,液压泵,液压阀,液压系统清洁度等级,种,类,液压系统,制造厂,液压系统,航空公司,制动系统和阀,制造厂,用户,ISO4406,16/13,18/15,12/9,17/14,18/15,NAS1638,7,9,3,8,9,民用飞机,工程机械,液压系统,我国早在,1985,年就制定了有关的,规范“液压元件及系统清洁度管理,规范”,典型液压元件的清洁度等级,液压元件类型,各类型液压泵,一般液压阀,伺服阀,比例控制阀,液压马达,液压缸,

10、摆动液压缸,蓄能器,滤油器壳体,优等品,16/13,16/13,13/10,14/11,16/13,16/13,17/14,16/13,15/12,一等品,18/15,18/15,14/11,15/12,18/15,18/15,19/16,18/15,16/13,合格品,19/16,19/16,15/12,16/13,19/16,19/16,20/17,19/16,17/14,典型液压系统的清洁度等级,12/9,污染极敏感系统,伺服系统,13/10,14/11,15/12,16/13,17/14,18/15,19/16,20/17,21/18,22/19,高压系统,中压系统,低压系统,低敏感系

11、统,数控机床系统,机床液压系统,一般机器液压系统,行走机器液压系统,重型设备液压系统,重型和行走设备液压系统,冶金轧钢液压系统,4.2,选择过滤器的过滤精度。液压系统的清洁度后,就可以根据液压系统的清洁度等级来确定所选滤材的过,滤精度,下表是现代液压润滑系统对过滤器过滤精度的选择,液压系统,伺服阀,比例阀,变量泵,定量泵,一般液压阀,液压缸,1,3200,1,3200,3,12200,3,6200,5,12200,6,15200,润滑系统,滚珠轴承系统,滚柱轴承系统,止推轴承（钢厂用,工业用齿轮箱,1,3200,1,6200,3200,3,10200,止推轴承（汽轮机用,6200,4.3,选择

12、过滤介质,说到过滤介质的选择，就不得不谈到过滤原理。当液压系,统工作时，除了外界的污染物不断地侵入系统外，系统内部,也不断产生污染物，如元件磨损、油液氧化变质等。油液中,常见的污染物有固体颗粒、胶状物、水、空气和有害化学物,质。当工作油液被各种杂质污染，特别是固体颗粒污染时,液压系统的可靠性下降、元件的寿命缩短。油液的污染还促,使系统内部元件的腐蚀以及加快油液本身的变质。所以，保,持工作油液的清洁度非常重要，而油液的过滤是控制固体颗,粒污染的重要方法。过滤是利用多孔介质滤除污染物的过程,目前使用的过滤介质有许多种，滤除机理主要有两类，即直,接阻截和吸附作用。直接阻截的特点是液流中的颗粒不偏离,

13、流束，直到被阻挡在过滤介质表面。吸附作用的特点是油液,中的颗粒在流经过滤介质时由于各种力的作用偏离流束，并,在静电力或分子吸附力等吸附在通道的内壁或纤维的表面,用于液压的过滤材料主要分为表面型过滤介质（如金属网,板等）和深度型过滤介质（如各种纤维滤材等,对于表面型过滤介质，被滤除的污染颗粒全部被截留在过,滤介质的上游一面。表面型过滤介质的通孔大小一般是均匀,的，它可滤除所有大于孔口尺寸的颗粒，而小于介质孔口尺,寸的颗粒可以通过。由于污染颗粒积聚在介质表面，孔口容,易被堵塞，所以表面型过滤介质的纳污容量较低。但由于污,染颗粒积聚在介质表面，介质表面的污染物容易清除，因而,表面型过滤介质可以在清洗

14、后重复使用,深度型过滤介质内部有无数曲折迂回的通道。当油液流经,过滤介质时，大颗粒污染物被阻截在介质表面孔口或介质内,部通道的缩口处，小颗粒污染物流经通道时有些被吸附在通,道内壁或粘附在纤维表面，而有些则沉积在通道内的孔穴或,液流静止区。因而深度型过滤介质的过滤机理是既有直接阻,截，又有吸附作用，且过滤介质对颗粒的滤除作用发生在过,滤介质的整个深度范围内。因此，深度型过滤介质的纳污容,量往往较大。与表面型过滤介质相比，深度型过滤介质内部,的污染颗粒不容易清洗出来，因而深度型过滤介质只能一次,性使用,需要说明的是，不论是表面型过滤介质还是深度型过滤介,质，都可以滤除比过滤介质孔径小的污染颗粒。这

15、是由于,两个或多个比孔小的颗粒同时通过过滤介质时，可能发生搭,桥现象,表面型滤材和深度型滤材的过滤特性,下表是一般过滤介质的类型和过滤精度,类,型,金属元件,表面型滤材,名,称,可滤除的最小颗粒,m,5,片式、线隙式,金属编织网,多孔刚性介质,微孔织品,金属网,多层烧结网,陶瓷,粉末烧结,泡沫塑料,微孔滤膜（表面型,天然及合成纤维织品,毛毡、棉丝,滤纸,5,5,1,3,3,0.005,10,10,12,深度型滤材,纤维织品,非织品纤维,合成纤维,玻璃纤维,不锈钢烧结毡,3,1,3,吸油过滤器一般情况下选择金属编织网作过滤材料，因为,金属编织网具有开孔率高、压降小、易清洗、强度大等特点,正好适应

16、吸油过滤器的工作特点。若工作压差很高，还可以,选择线隙式滤材，这种滤材可以承受更高的压力,压力管路过滤器和回油过滤器由于要有高的精度、大的纳,污容量，所以一般采用纤维滤材。对于精度大于,20,微米以,上，要求不太严格的场合，可选用滤纸或合成纤维滤材；对,于精度小于,20,微米的过滤器，可选用玻纤材料或合成纤维,滤材；对于耐高温、高压场合，可选用不锈钢烧结毡和金属,粉末烧结元件。而对于用在主过滤系统在线保护那些对污染,颗粒敏感的重要系统部件，如伺服阀、比例溢流阀等元件的,最终保护过滤器，因元件对颗粒污染物十分敏感，必须选择,高精度编织网来做滤材,滤芯的纳污容量与过滤面积之间的关系可用下式表示,G

17、2=G1*(F2/F1)n,式中,G2,过滤面积为,F2,的纳污容量,G1,过滤面积为,F1,的纳污容量,n,系数，一般,n=1.3,1.5,由上式得出：对于同一种滤材的过滤器，其纳污容量与滤,层的尺寸大小有关。滤层越大，即过滤面积越大，其纳污容,量越大。在流量一定的情况下，随着过滤面积的增大，单位,面积上通过的流量减小，也即通过的流速减小，滤芯的压差,也减小。因而达到额定压差时滤芯能够容纳更多的污染物,因此选用大纳污量、大流量的过滤器对现场油液的污染控制,是很重要的一步,4.5,过滤器滤层的设计原则,滤层的,设计应该要保证滤层拥有最佳的过,滤面积、最大的纳污容量。只有这,样，才能有效降低滤层

18、的表面流速,从而保证滤芯的精度,让我们再来品味一下国外优秀设计师在这方面的良,苦用心吧。我们再重新回到前面，看一下,PALL,公司,的,HC9020,HC9021,图。为了拥有最大的过滤面积,设计师们将端盖和骨架的厚度减到最小，滤层充满,了整个端盖，为了增加滤层的厚度,HC9021,甚至将,骨架的内径减到了与端盖内径相同的尺寸,PALL,过滤器发展到现在大,致经历了五代产品。从第三,代起,PALL,开始采用特殊,的高性能滤芯结构，如螺旋,缠带、新型支撑网等，关键,是采用了高性能的滤材。这,种滤材采用渐变孔径结构,可以最大限度地截获颗粒,另外，与传统滤材相比，在,相同孔径时它的纤维更细,因而具有

19、更高的开孔率，有,效降低通过滤材的流速，提,高了纳污容量,第四代产品，更是采用了创,新的无骨架结构，此举大大增,高了波纹的高度，使过滤面积,一下子提高了,60,以上,就在我们对,PALL,设,计师的创造感到眼花,缭乱的时候,PALL,又,推出了第五代产品,Ultipleat SRT,过滤,器,PALL,的广告词,是,不是改进，而,是革命,这种号称“新月形打,褶”结构的滤芯，可使,滤层的过滤面积达到最,大,PALL,公司骄傲地说,这种结构代表了我们,所认为的打褶设计的极,致,如图所示，传统的折,波方法，其波纹是从内,向外辐射的，这样就会,增加波纹之间的间距,从而产生未使用的体积,而“新月形”打褶

20、结构,波纹与波纹之间没有未,使用的空间，不会浪费,体积，从而使过滤面积,达到最大化。同时流量,均匀分布，可有效消除,传统打褶方式中流经波,纹顶部的液体少于流经,波纹底部的液体，从而,使滤材均匀拦截杂质,延长了滤芯的使用寿命,这种结构还使波纹互相支撑，增强了波纹的稳定,性。其中最主要的一点，还是可使滤芯在相同的过,滤面积下，拥有较小的体积或是在或是在相同的体,积下拥有更大的过滤面积,4.6,支撑材料的选择,合适的过滤材料选择好后，还要考虑如何加工才,能使滤材的性能达到最佳状态。对于滤材来讲,必须在滤材的上下表面作适当的支撑，才能承受,上下由的压差所引起的疲劳应力。如果没有支撑,在高压差情况下波纹

21、会被压缩在一起，产生“并,牙”现象，同时波纹的根部会因疲劳产生断裂,从而造成滤芯的失效,用金属编织网作过滤材料，如果材料的目数较低,丝径较粗，可以不用加支撑，如,80,目以下的方孔网,及,500,以下的特种网。如果材料的目数较高或需,要承受大的压差，就要增加一层或多层支撑网。支,撑网一般选,40,目以下的方孔网，有时甚至需要粗丝,径密纹网,用滤纸做滤材，一般不加护网，如需承受大压差,可内加一层,20,目左右的方孔网,若用玻纤滤纸作滤材，不但要加支撑网，有时还需,加护纸来保护滤材,在加工高精度过滤器的时候，需要我们特别注意,高精度过滤器的过滤材料一般选用玻璃纤维滤纸，玻,璃纤维很脆，经过折叠易折

22、断，因此需特别保护才行,以下，是我们的经验数据，仅供大家参考,过滤精度10m以上的滤芯，一般内加一层,40,60,目的方孔网，外加一层,25,40,目的方孔网；若选用,两面带护纸的玻纤滤纸，可不加护纸,过滤精度10m以下的滤芯（包含10m）可按照下,列方法进行加工生产,1,若选用如南玻院,NF,系列带双层护纸的滤材，滤层,的排布由外向内依次为,25,40,目吋丝径,0.15,方孔网,NF,玻璃纤维滤纸,40,60,目吋丝径,0.1,方孔网,2,若选用如,LYPORE,系列纯玻纤滤材时，滤层的排布,由外向内依次为,40,目吋丝径,0.15,方孔网,双层茶叶滤纸或,60g,无纺布,LYPORE,玻

23、璃纤维滤纸,双层茶叶滤纸或,60g,无纺布,60,目吋丝径,0.1,方孔网,3,在折波纹前,所有滤网、滤纸均进行检验，若有跳,丝、脱丝、破孔等，均不得使用,对于使用压差小于,2MPa,的滤芯，如有条,件，最好采用尼龙方孔或菱形网来做支撑网,并且采用加热的方式折波。对于使用压差,21MPa,的滤芯，则必须采用金属网作支撑,并且保护层最好采用,200,目以上的尼龙编织,方孔网,HYDAC-BH,系列过滤器滤层的排布由外向内依次为,25,目吋丝径,0.18,金属编织方孔网,单层无纺布,玻璃纤维滤纸,200,目尼龙方孔编织丝网,46,目吋丝径,0.15,金属编织方孔网,HYDAC-BN,系列过滤器滤层

24、的排布由外向内依次为,25,目吋丝径,0.18,金属编织方孔网,单层无纺布,玻璃纤维滤纸,单层无纺布,46,目吋丝径,0.15,金属编织方孔网,这是,PALL,公司滤层的结构,PALL-K,系列过滤器滤层的排布由外向内依次为,3X1.3,丝径,0.33,菱形尼龙网,单层无纺布,玻璃纤维滤纸（下游带护层,3X1.3,丝径,0.33,菱形尼龙网,PALL-D,系列过滤器滤层的排布由外向内依次为,30,目吋丝径,0.24,金属编织方孔网,280,目尼龙方孔编织丝网,玻璃纤维滤纸（下游带护层,280,目尼龙方孔编织丝网,85,目吋丝径,0.13,金属编织方孔网,4.7,分流网的选择,进入过滤器壳体里的

25、油液，一般都是固定于一个方,向流动，这样就会造成滤芯的整个滤层上面承受的流,量不一样，这既是造成滤芯寿命短的重要因素，有时,造成滤芯精度达不到的重要原因。因此十分有必要在,滤芯的进液面增加一层分流网,PALL,过滤器采用外缠螺旋带，同时螺旋带上的胶液,也可起到固定波纹间距，使波纹不易变形，可谓一举,两得,HYDAC,公司则采用加菱形网或微孔板的方法,的方法来解决这个问题。国内液压过滤器生产的龙头,企业温州黎明也开始在它的高压过滤器上推广这种方,法,4.8,滤层的合缝,滤层的合缝往往是大家容易忽略的地方。从滤芯的,完整性试验来看，过去我们经常采用的金属合缝片合,缝的方法是极不可靠的，大约有,1/

26、3,的泄漏都产生于,合缝处。现在我们一般采用在合缝处涂胶的方式进行,合缝。对于金属网，低精度可采用滚焊的方式，高精,度必须用等离子焊或氩弧焊,下图是经常采用的一些合缝方法。其中图,1,是,HYDAC,公司的专利合缝结构，图,2,是,PALL,公司的合,缝结构。图,1,的方法应该是最佳的，它可确保合缝处,不会产生泄漏，图,2,的方式合缝处窄，可以增加过滤,面积，但工艺复杂，没有专门的设备，不易保证合缝,质量,合缝的形式,4.9,滤层的粘结,滤层既粘结在端盖上，又粘结在骨架上。经统计,由于粘结的原因造成滤芯旁通渗漏的占滤芯总缺陷的,比例与合缝处的缺陷几乎相当。滤层与端盖、骨架之,间的连接和密封的可

27、靠性全靠胶液的性能的好坏以及,工艺的优劣。理想的胶液应具备以下性能：粘结强度,高，渗透性能好，化学稳定性好、固化时间短、胶液,含气量少等,粘结工艺的优劣，也是影响滤芯粘结性能的重要因,素。一种好的粘接工艺，可以使粘结缺陷降到最低,我们现在一般采用环氧树脂胶进行粘结。环氧树脂,具有良好的粘结强度，并且耐酸耐碱，与过滤介质的,相容性非常好。但渗透性很差，含气量也多。在制作,高精度过滤器时，极易产生旁通等缺陷，造成产品的,报废。一般采用端盖灌注少量胶液，滤层端面涂一层,胶液来解决弥补渗透性不足的缺陷,胶液的渗透性太好也不行，有时会造成滤纸吸胶,影响过滤面积，还会造成旁通。下图是国外一家大公,司生产的

28、滤芯，由图可见，胶液有非常严重的上吸现,象,第三讲、骨架的设计,过滤器中的骨架主要是起支撑作用。滤芯在,工作时,在压力的作用下，滤层会产生变形，若没有,一个强有力的支撑，将会造成滤芯的压溃和,滤材的损坏,过滤器的骨架一般分为内骨架（流向为由里向,外）或外骨架（流向为由外向里）两种类型，由,于直径较小的骨架能够获得较高的强度，因此最,佳的流向应为由外向内流动。对于压力管路过滤,器，因其要承受较高的压差，一般采用内骨架,对于回油过滤器，压力一般比较低，并且要求分,流效果要好，采用外骨架较多,骨架必须具有很小的流动阻力。因此其开孔率,越高越好。骨架的强度一般分为“标准型”（即,耐压在,20bar,左

29、右）和“高强型”（耐压在,210bar,左右）两类,高强型”骨架的必须要在超过,210bar,的压差,下仍保持不变。此时应选用小孔骨架以适应压力,的变化。有时骨架上的孔小至2mm，但仍会由,于承受很高的压差而造成滤材被压入孔中使材料,拉裂失效，此时就必须增加一些必要的措施来增,强滤层的支撑,PALL,公司高压过滤器采取的措施是在骨,架的外面再加一层0.5mm厚0.6mm,孔的微孔板,HYDAC,公司,BH,系列过滤器又在骨架的外,面套一层,45,目,吋的金属方孔网。来增加对,滤层的支撑,第四讲、密封的设计,在过滤器的使用中，密封件的作用是阻挡油液从,高压腔向低压腔流动。正确的密封设计是保证过,

30、滤效果的重要条件,过滤器的密封件主要有两种,类型,O,型密封圈和平垫圈,O,型密封圈的密封原理如图,在无液压力的情况下，弹性,压缩变形的,O,型密封圈，在自,身的弹性力作用下，对接触面,产生一个预紧力。当有液压力,后,O,型密封圈在液压力的作,用下发生变形，移向低压侧,并进一步加大弹性变形，紧逼,并封闭了密封间隙，大大增强,了密封效果,平垫圈的密封原理如图,无论有无液压力，平垫圈只在自身的弹性力作用下，对接,触面产生一个恒定的预紧力。当有液压冲击时，平垫圈极,有可能在液压力的作用下发生进一步变形，从而造成泄漏,因此，在设计时，我们应优先选用,O,型密封圈,在密封的设计中，我们还应考虑工作介质的类型和,温度。不同的工作介质须要选用不同的密封材料,下表是常用的密封材料所示赢得介质和工作温度,密封材料,石油基液压油,和矿物基润滑,油,难燃液压液,水,油,乳化,液,使用温度范围,水,乙,二醇,膦酸酯油,丁腈橡胶,聚胺酯橡胶,氟橡胶,硅橡胶,丙烯酸酯橡胶,丁基橡胶,乙丙橡胶,聚四氟乙烯,40,120,30,80